TERMOGRAFIA APLICADA AO CONTROLE DE EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA EM USINAS NUCLEARES
EDSON MINELLI e ATTILIO BRUNO VERATTI
Gerência de Suporte e Teste (GST.O) – Divisão de Parada e Manutenção (DIPM.O) - Grupo de Manutenção Preditiva
e Diagnostica Eletrobrás Termonuclear S/A – Rodovia BR-101 Km 132 – Praia de Itaorna – Angra dos Reis – RJ –
Brasil.
Icon Tecnologia – Av. Macuco, 240 conj. 121 – São Paulo – SP – Brasil
e-mail: [email protected] - [email protected]
1) Introdução:
Com a maturidade da geração nuclear de energia, a busca
por padrões superiores de segurança e confiabilidade tem
levado a um crescente interesse sobre o controle da
eficiência energética das Usinas.
Dados operacionais revelam que as perdas entre o Reator
e a Turbina podem variar entre 5 e 9%, perdas essas que
tornam-se mais preocupantes devido ao aumento de
competitividade do Setor Energético Brasileiro em razão
da criação do mercado regulador de energia elétrica
(ONS).
Apesar do mercado ainda se encontrar desequilibrado,
com forte pressão do lado da demanda, esse quadro tende
a se equalizar nos próximos 03 anos com a construção das
Usinas de ciclo combinado e a gás.
Dentro desta conjuntura, nossa Organização vem
buscando criar processos que elevem nossa eficiência
térmica, inclusive desenvolvendo parcerias com a
iniciativa privada como no caso da Icon Tecnologia e
acreditamos, como veremos a seguir, que as técnicas de
inspeção e análise termográfica podem dar uma grande
contribuição nesse sentido.
Nesse trabalho trataremos de um conceito denominado
por nós de Eficiência Energética em Plantas Nucleares
(EEPN) de uma maneira ampla, ou seja, considerando o
retorno financeiro necessário a manutenção da mais alta
segurança e qualidade imp rescindíveis em nosso ramo de
negócio.
Dessa forma este conceito de EEPN engloba desde a
energia térmica gerada no reator até a energia elétrica
entregue à rede distribuidora. Parte deste conceito se
baseia na manutenção de componentes por onde as perdas
térmicas demonstram-se bastantes expressivas traduzindose em maior consumo de energia e podendo inclusive
provocar interrupções no fornecimento de energia
elétrica.
Nosso trabalho irá se concentrar em três tópicos, como
veremos a seguir:
Componentes Térmicos:
Este segmento talvez seja a maior inovação em termos de
análise e inspeção termográfica, incluindo-se aqui os
isolamentos térmicos dos circuitos principais e
secundários, purgadores, caldeira auxiliar e válvulas de
alivio e segurança. São esses equipamentos que resultam
em grande parte pela perda de eficiência do ciclo térmico
da Usina. Nesses casos é possível identificar falhas de
isolamento térmico, estimar a espessura de revestimentos,
falha de purgadores e passagem de válvulas. Cabe
ressaltar que existem outras técnicas que permitem a
identificação de falhas nos equipamentos acima
mencionados, mas nenhuma aponta para uma relação
custo x benefício tão elevada quanto a inspeção e análise
termográfica.
Componentes do Sistema Elétrico:
Este segmento é composto por disjuntores, chaves,
barramentos e conexões elétricas que muitas vezes
provocam paradas na operação da Usina ou interrupções
no fornecimento de energia elétrica as distribuidoras.
Componentes Eletro-Mecânicos:
Aqui trataremos de mais uma nova área de aplicação da
termografia, onde é possível em conjunto com outras
tecnologias, aumentar a confiabilidade dos equipamentos
com a conjugação da analise vibracional e da tribologia.
Compõe este segmento bombas, motores elétricos,
geradores, onde podemos verificar as condições dos
mancais, acoplamentos e enrolamentos.
Em todos os itens acima a técnica da Termografia
desempenha um importante papel na localização de falhas
e quantificação de perdas, contribuindo efetivamente para
um aprimoramento da EEPN e possibilitando elevados
Retornos de Investimento (RDI).
O Retorno de Investimento (RDI) em uma Usina Nuclear
pode atingir valores superiores a 50 vezes o capital
investido em inspeções e equipamentos, sobretudo
quando considerações ambientais e a segurança da
população estão em jogo.
2) Monitoração de Componentes Térmicos:
A monitoração de componentes térmicos engloba os
seguintes itens:
2.1) Detecção de Áreas de Falhas e Quantificação de
Perdas Térmicas em Revestimentos.
O primeiro objetivo dessa modalidade de inspeção é a
localização regiões não isoladas e de falhas em
revestimentos de linhas de vapor nos ciclos principal e
secundário, caldeiras, etc.
Já a quantificação da perda de energia tem por objetivo
permitir o controle da quantidade de calor trocado por um
equipamento com o ambiente, em função de suas
condições de operação e estado do revestimento. Este
dado é de grande importância para se conhecer sua
Para a realização dessa tarefa são utilizados programas
aplicativos que permitem, a partir das temperaturas
tomadas externamente por termografia, o cálculo do
número de calorias, BTU ou Kwh trocados com o
ambiente em um dado período de tempo. Com tal
informação, a decisão sobre a necessidade de reposição
do revestimento é obtida através da comparação direta
entre o custo dessa operação e o custo da energia trocada
com o ambiente.
Figura 1:
eficiência térmica ou para a para a tomada de decisão
quanto à troca ou reparo de revestimentos isolantes.
O método adotado para o cálculo de perda térmica parte
dos mecanismos de convecção e radiação, como se segue:
Q CNV + Q RAD = h (tE - tA ) A T + σ ε (TE4 - TA 4 ) A T
(Tabela 1)
2.2) Avaliação da Espessura de Revestimentos (AER):
Em equipamentos que não permitam a verificação direta
do estado dos revestimentos refratários (como na Caldeira
Auxiliar do Sistema de Rejeito e Selagem da Turbina), é
possível estabelecer-se uma correlação entre a espessura
do revestimento e as temperaturas externas, medidas com
o auxílio de radiômetros ou termovisores.
A Avaliação de Espessura de Revestimentos (aplicativo
AER-ICON) é realizada a partir do cálculo do fluxo de
calor que passa através da parede do equipamento. Esse
cálculo leva em conta o uso de paredes multi-camada
(geralmente até 5 camadas) com diferentes espessuras e
condutividades térmicas para cada material.
Tabela 1
QCND = calor transferido por condução em kcal/h m2
QCNV = calor transferido por convecção em kcal/h m2
QRAD = calor transferido por radiação em kcal/h m2
tI = temperatura da face interna da parede em graus C
tE = temperatura da face externa da parede em graus C
TA = temperatura do ar em graus C
L = espessura da camada em metros
k = condutividade térmica do material em kcal m/m2 h o C
h = coeficiente de transmissão de calor por convecção em
kcal/m2 h o C
σ = constante de Stefan-Boltzmann
ε = emissividade do revestimento externo
TE = temperatura da face externa em graus Kelvin
TA = temperatura ambiente em graus Kelvin
A = área em m2
T = tempo em horas
Figura 2:
Figura 3:
Com base na temperatura interna do processo e nas
características físicas dos materiais que compõem a parede,
pode-se estabelecer uma correlação entre a
temperatura externa e a espessura restante de revestimento
naquele local.
Dessa forma, os valores de temperatura externa
convertem-se em uma valiosa fonte de informação para os
operadores que podem, a partir dessa avaliação, decidir
quando da conveniência de reparos ou paradas.
O grande benefício dessa análise é a possibilidade de se
estabelecer os valores limites de espessura de
revestimento aceitáveis e o acompanhamento das fases
finais da campanha, com o objetivo de prolongá-la com
segurança, diminuir tempos de parada e aumentar a
produtividade do equipamento.
Figura 4:
2.3) Controle da Operação de Purgadores
O purgador tem papel fundamental na drenagem do
condensado dos sistemas de vapor e, quando apresenta
defeito, pode gerar problemas, tais como:
Perda de vapor, diminuindo a eficiência do sistema.
Pressurização das linhas de retorno, podendo
prejudicar o funcionamento de outros purgadores.
Alagamento do sistema, causando queda da
temperatura (que se torna mais grave se for um
purgador de processo).
Vazamentos de fluidos através de uma válvula
normalmente fechada são facilmente observados pela
inspeção termográfica em razão do pequeno delta de
temperatura à montante e à jusante da válvula. No caso
de válvulas normalmente abertas, bloqueios apresentam
grandes deltas de temperatura.
Isso pode ocorrer
inclusive em válvulas de retenção. Essas inspeções são de
grande utilidade em Usinas Nucleares, devido ao uso de
acido bórico em vários processos.
Levando-se em conta as condições do processo, como
pressão e temperatura, é possível estabelecer critérios de
análise através de gradientes térmicos antes e após o
purgador.
Ainda em fase de desenvolvimento, estamos trabalhando
com a seguinte relação entre o estado operacional dos
purgadores e o gradiente térmico entre a entrada e a saída
dos mesmos:
A aplicação da termografia na análise de purgadores tem
se mostrado rápida e eficaz.
Rápida, não só porque o tempo de inspeção pode ser até 3
vezes menor em relação a métodos convencionais, mas
também porque com apenas uma imagem é possível
avaliar conjuntos de purgadores instalados em paralelo.
Eficaz, pelo fato de não ser uma avaliação subjetiva, ou
seja, a termografia nos fornece a imagem com a
distribuição térmica, sendo possível avaliar com boa
margem de segurança as condições reais do purgador.
Outro aspecto importante é que a imagem pode ser feita à
distância, o que pode facilitar a inspeção, quando o
purgador estiver em local de difícil acesso. Por esse
motivo tem se mostrado economicamente mais viável do
que as outras existentes no mercado, apresentando
excelente relação custo x benefício e resultados
expressivos.
3) Monitoração do Sistema Elétrico
A detecção termográfica de um componente elétrico
defeituoso baseia-se na identificação de uma anomalia
térmica no sistema.
Na maioria dos casos essa anomalia é uma elevação de
sua temperatura em função de um aumento anormal de
sua resistência ôhmica devido a ocorrência de oxidação,
corrosão ou falta de contato. Dessa forma, um
componente defeituoso se apresenta como um ponto
quente em comparação com o ambiente ou outros
componentes similares em bom estado.
Menos freqüentes, mas não menos importantes, são os
casos nos quais o componente defeituoso se revela por
estar frio em relação aos demais (no caso de ter havido
interrupção no circuito).
Para serem efetivas, as inspeções devem ser realizadas
nos períodos de maior demanda, quando os pontos
deficientes da rede tornam-se mais evidentes. Os
componentes mais freqüentemente inspecionados são:
conectores, chaves seccionadoras, barramentos, fusíveis,
grampos,
disjuntores,
bancos
de
capacitores,
transformadores de corrente e de potência.
Os parâmetros a serem analisados fazem parte da
metodologia desenvolvida por um dos autores (Eng.
Attílio Bruno Veratti), a qual foi adotada como norma
pela Petrobrás – Petróleo Brasileiro (N-2475) e, por
considerar a Máxima Temperatura Admissível (MTA)
para cada componente, excede os padrões de segurança da
norma norte-americana MIL-STB-2194 SH.
São os seguintes os parâmetros considerados:
- Correção de Carga e Vento: nem todas as medições são
realizadas em condições ideais (100% de carga e sem
vento). Para tanto são realizados cálculos que permitem
projetar a temperatura para tais condições, prevendo
situações mais adversas. A Usina Nuclear de Angra I
adota um modelo avançado de correção de temperatura
através do cálculo da potência dissipada pelo componente
através dos mecanismos de radiação e convecção.
- Critério de Classificação de Componentes Aquecidos
(CFCA)
Figura 5
Detectados em níveis de gravidade: correlacionando a
temperatura medida com a Máxima Temperatura
Admitida (MTA) para o referido componente.
-
Classificação da Abrangencia da falha:
Classificando em três níveis a maneira como a falha afeta
a Planta:
Local: falha não compromete a operação ou
segurança da Planta
Setorial:
falha afeta em parte a operação ou
segurança da Planta
Global:
falha grave que afeta a operação ou
segurança de toda a Planta
- Classificação de Risco ao Sistema Produtivo:
correlacionando-se a Gravidade e a Abrangencia das
falhas obtém-se o Risco ao Sistema Produtivo, principal
parâmetro para a tomada de decisões quanto às
intervenções a serem realizadas.
- Análise Estatística para identificação dos
componentes que apresentaram maior índice de
problemas:
Permitindo a análise das causas das falhas e a tomada de
decisões quanto a necessidade de maior freqüência nas
inspeções ou troca do fornecedor do componente. A
redução ou eliminação desse defeito aumentará a
confiabilidade da instalação como um todo, fator
imprescindível para um programa efetivo de qualidade
total.
- Levantamentos de séries históricas objetivando a análise
da evolução do número de ocorrências ao longo de um
período, bem como da tendência resultante. A tendência
mede a eficácia do programa de inspeções implantado, caso
não se obtenha um resultado decrescente as causas deverão
ser identificadas.
Outro aspecto importante implantado na Usina Nuclear de
angra dos Reis é a produção direta de Relatórios Digitais
de Terceira Geração (padrão HTM), o que facilita
sobremaneira o arquivamento e a divulgação das
informações via Intranet/Internet.
4) Monitoração de Componentes Eletro-Mecânicos
4.1) Motores Elétricos
Na inspeção de motores elétricos a termografia é utilizada
de modo conjugado com outras técnicas na avaliação do
estado operacional desses equipamentos. Os
aquecimentos detectados com a utilização de sistemas
infravermelhos são provocados por aumento da
resistência elétrica (mau contato ou sobrecarga), atrito
(falta de lubrificação) e vibração. Dadas suas
características de velocidade, a termografia permite a
verificação de grande número de equipamentos em curto
espaço de tempo.
Figura 6
É importante ressaltar que termografia e análise de
vibração são técnicas de inspeção que operam
complementarmente. Muitas vezes, o componente pode
ser retirado de operação por exceder os limites de
temperatura sem que tenha excedido os limites de
vibração. Em outras ocasiões ocorre o contrário.
Normalmente os trabalhos técnicos sobre a inspeção de
motores costumam apresentar como limites de
temperatura os constantes nas normas (tabelas I e II) sem
uma correlação com dados práticos, obtidos em campo.
Limites de Temperatura (oC)
Classe de Isolamento
Temperatura ambiente (oC)
Elevação de temperatura (oC)
Diferença entre o ponto mais quente e a
temperatura média (oC)
Temperatura do ponto mais quente (oC)
A
40
60
E
40
75
B F H
40 40 40
80 100 100
5
5
10
15
15
105 120 130 155 180
Tabela I
Limite de Temperatura Externa (oC)
Limites especificados por entidades classificadoras para motores
de construção naval
Classe de Isolamento
A E B F H
Germanischer Lloyd
100 115 120 140 American Bureau of Shipping
105 115 125 145 Bureau Veritas
100 115 120 140 Norske Veritas
95 110 115 135 Lloyd Register of Shipping
95 110 115 135 RtNa
95 115 120 T abela II
No entanto, em nossas inspeções (que superam 40.000
motores inspecionados ao longo de 10 anos) observamos
que cerca de 90% dos motores elétricos opera abaixo dos
70ºC (com temperatura ambiente de até 40ºC). Essa
relação cai para 75% (de motores operando abaixo dos
70ºC) quando a temperatura ambiente varia entre 45ºC e
55ºC.
Já os motores elétricos que apresentem superaquecimento
costumam queimar em temperaturas abaixo das máximas
especificadas pelas normas. Em muitos casos isso ocorre
com os valores de vibração ainda dentro dos limites
toleráveis (assim como outros motores são retirados de
operação por excederem os valores de vibração, estando
com temperaturas aceitáveis).
Por esse motivo desenvolvemos uma tabela prática que
utilizamos em nossos serviços, a qual tem se revelado
mais representativa do estado operacional dos motores
elétricos (tabela III).
Limite de Temperatura Externa (oC)
ICON Tecnologia
Classe de Isolamento
A
E
B
F
H
Máxima temperatura externa 90 100 110 130 140
Temperatura de alerta
70
80
90
110 120
Tabela III
Os aquecimentos podem também se manifestar nos
rolamentos, sobretudo do lado do acoplamento. É
importante salientar que, embora a temperatura máxima
de trabalho do rolamento possa ser mais elevada que a
medida, nesse tipo de ocorrência o rolamento é a fonte do
aquecimento, estando a pelo menos 10ºC acima da
temperatura do motor.
Em todos os casos pesquisados a análise subsequente dos
componentes comprovou a relação entre os aquecimentos
e o desgaste dos rolamentos.
4.2) Mancais:
Os limites de temperatura para de mancais variam
grandemente de acordo com o tipo de mancal (rolamento
ou deslizamento) e o tipo de lubrificação adotado. Em
mancais de deslizamento de grande porte (laminadores,
por exemplo), não só a temperatura, mas também a
distribuição de temperaturas é levada em conta. Os limites
com os quais estamos trabalhando no presente momento
são:
Limites de temperatura para rolamentos comuns
(oC)
(Vibrations Magazine)
Tipo de Lubrificação
Alerta
Máximo
Graxa
70 - 100
>100
Banho de óleo
65 - 95
>95
Circuito de óleo
60 - 85
>85
Temperatura ambiente: 40o C
Tabela IV
4.3) Acoplamentos:
Nos acoplamentos o aquecimento pode ser devido ao
desalinhamento ou à falta de lubrificação (no caso de
acoplamentos auto-compensados). Em ambos os casos
adota-se um aquecimento de 20o C em relação ao ambiente
como limite de alerta. Acima desse valor recomenda-se a
verificação do mesmo.
Figura 6:
5) Outras Aplicações Específicas da Termografia na
Área Nuclear
Além das aplicações mencionadas anteriormente, que
também são aplicáveis as plantas nucleares, a inspeção
termográfica pode ser utilizada em processos específicos
tais como:
-
Verificação de obstrução no Anel Coletor de Spray
do Envoltório de Contenção.
Avaliação quanto à vazamentos das Válvulas de
Alívio do Pressurizador.
Quebras de vácuo nos Condensadores (aliado aos
testes com Hélio).
Avaliação de Nuvem Térmica. (Através dessa
técnica é possível fazer uma avaliação da superfície
da água nas regiões de descarga da Usina)
Biografia dos autores:
Attílio Bruno Veratti
( [email protected] ) ( www.termonautas.com.br )
- Engenheiro formado pela FEI em 1977.
- Especialista em sistemas termográficos com 21 anos de
experiência e cursos na Inglaterra, Holanda e Estados Unidos
pela Agema Infrared Systems.
- Implantou atividade de inspeções termográficas na empresa
Optronics Sistemas Ópticos e Eletrônicos, sendo posteriormente
gerente de marketing da mesma.
- Realiza trabalhos de inspeção termográfica e cursos em
diversos países da América Latina como: Argentina, Chile,
Paraguai e Colômbia.
- Autor do livro Termografia - Princípios e Aplicações.
- Gerenciou a implantação da Trafo Service Manutenções
Elétricas.
- Autor do CD "Termografia"
-
Atualmente diretor da empresa ICON Tecnologia e
consultor de diversas empresas na área de desenvolvimento
de novas aplicações da Termografia.
-
Responsável pelo site de pesquisa e banco de informações
www.termonautas.com.br .
Edson Minelli
([email protected])
-
Trabalha na Central Nuclear desde 1986
-
Desenvolveu o Programa de Manutenção Preditiva de
Angra 1, que inclui analise vibracional, tribologica,
termográfica, diagnose de válvulas de retenção e motores
diesel e analise de fluxo magnético.
-
Encarregado do Grupo de Manutenção Preditiva e
Diagnostica de Angra 1
-
Autor do Procedimento de Análise e Inspeção termográfica
(PN-T 012)
Bibliografia
A Termografia Aplicada À Manutenção Preventiva e Preditiva
- Autor: Attílio Bruno Veratti (ICON Tecnologia) – 1996
Novos Rumos da Termografia Inspeção de Sistemas de Geração
de Vapor - Attílio Bruno Veratti ( ICON Tecnologia) e Valdir
Donizete da Silva (Rhodia Filamentos) - 1998.
Termografia – Princípios, Aplicações e Qualidade – Attílio
Bruno Veratti (ICON Tecnologia) – 1997
Manual do Aplicativo AER – ICON Tecnologia – 1986
Maunal do Aplicativo SIE2000 – ICON Tecnologia - 2000
Nota:
Este
trabalho
estará
disponível
nos
www.termonautas.com.br e www.eletronuclear.gov.br
sites